Molecular Genetic Mechanisms of Pulmonary Arterial Hypertension

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is one of the most severe vascular diseases. In addition to increased vasoconstriction there are significant histopathological changes in small pulmonary arteries of PAH patients. These histopathological changes include endothelial cell (EC) injury, vascular inflammation, medial hypertrophy, intimal hyperplasia, and plexogenic arteriopathy. Changes in EC phenotype are suggested to play an important role in the development of occlusive vascular lesions. This phenotypic switch involves apoptosis-resistance, hyperproliferative capacity, and changes in energy metabolism. Somatic genomic abnormalities have also been identified in vascular lesions from patients with PAH. Mutations in bone morphogenetic protein receptor 2 (BMPR2) have been tightly linked to the pathogenesis of PAH. The genetic landscape of PAH-associated mutations in Finnish population is poorly understood. In this study, we utilized a novel targeted next-generation sequencing approach called Oligonucleotide-Selective sequencing (OS-Seq) to evaluate the role of known PAH genes, confirming a relatively high incidence of BMPR2 mutations among analyzed Finnish PAH-patients. Pulmonary ECs from the patients with PAH are identified with severe somatic chromosomal abnormalities. The role of genomic instability during pathogenesis of PAH and the mechanisms behind these changes in ECs are yet unknown. The genomic instability in IPAH patient ECs and the occlusive vasculopathy resemble a neoplastic process. In this study we revealed that loss of BMPR2 in pulmonary ECs leads to increased susceptibility to DNA damage and establish a link between Breast cancer 1 and BMPR2. BMPR2 deficiency-associated loss of DNA damage control could play a role in PAH -associated EC dysfunction, genomic instability and altered cellular phenotypes. One of the critical transcription factors downstream of BMPR2 is peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ). In mice the TIE2 promoter mediated EC-specific loss of functional PPARγ (TIE2CrePPARγflox/flox) leads to dysregulation of EC genes such as apelin and development of PAH. The role of PPARγ in vascular regeneration or angiogenesis has remained poorly understood. We show that dysfunctional PPARγ in ECs leads to attenuation of angiogenic capacity and migration defect. Purinergic signaling is one potential modulator of pulmonary vascular homeostasis. ATP is known to regulate a variety of cellular processes, including vascular remodeling. In response to cell damage, ATP is released into extracellular space and through several physiological mechanisms cells can regulate their basal ATP niche contributing to the growth and microenvironment of the cells. The role of ATP in vascular modulation is well-known yet its association with pathophysiology of PAH is still undefined. In ECs the CD39 enzyme is the most prominent ATP hydrolyzing enzyme. We showed that PAH patients manifest suppression of CD39 leading to excess ATP niche in vascular wall. Our results suggest that attenuated CD39 activity is tightly linked to vascular remodelling and phenotypic switch of ECs.Keuhkovaltimoverenpainetauti on harvinainen, mutta vakava ja nopeasti etenevä tauti. Tällä hetkellä tautiin ei ole tarjolla parantavaa lääkitystä, mutta nykyisillä lääkehoidoilla voidaan hidastaa taudin etenemistä ja lievittää potilaan oireita. Monen potilaan kohdalla keuhkonsiirto on lopulta ainoa hengen pelastava toimenpide. Keuhkovaltimoverenpainetaudin patobiologia kohdistuu pienten keuhkovaltimoiden uudelleen muovautumiseen. Tämän seurauksena nämä verisuonet ahtautuvat ja keuhkoverenkierron vastus nousee pysyvästi. Taudin edetessä tästä seuraa sydämen oikean puolen vaikea toimintahäiriö. BMPR2-signaloinnin toimintahäiriöt ovat tunnusomaisia taudin kehityksessä. Suomalaisten keuhkovaltimoverenpainetautia sairastavien potilaiden geneettinen tausta on vielä heikosti tunnettu. Hyödyntäen uuden sukupolven sekvensointimenetelmää, nimeltään Oligonucleotide-Selective sequencing, osoitamme suhteellisen korkean BMPR2 mutaatioiden esiintyvyyden tutkituilla potilailla. BMPR2-signaloinnin häiriintyminen herkistää endoteelisolun ajautumisen apoptoosiin ja solujen uudistumiskyvyn heikentymiseen. Tautia sairastavien potilaiden ahtautuneista verisuonista on löytynyt somaattisia mutaatioita geeneistä, jotka säätelevät solun geneettistä tasapainoa. BMPR2 toimintahäiriön vaikutus geneettisen epätasapainon syntymiseen näissä soluissa on vielä epäselvää. Näytämme, että keuhkovaltimoverenpainetautia sairastavilta potilailta peräisin olevat endoteelisolut ovat huomattavan herkkiä DNA-vaurioille ja BMPR2:sen ilmentyminen on tiukasti sidottu DNA-vaurioiden valvontaan endoteelisoluissa. Tärkeitä BMPR2-signaloinnin vasteita välittää PPARγ, joka säätelee solullista erilaistumista, kehitystä ja aineenvaihduntaa. PPARγ:n tarkka rooli verisuonien uudismuodostuksessa on edelleenkin epäselvä. Näytämme, että PPARγ on merkittävä tekijä verisuonten endoteelisolujen henkiinjäämis- ja lisääntymisvasteissa ja hiirillä endoteelispesifinen PPARγ toimintahäiriö johtavaa keuhkovaltimoverenpainetaudin ja luunkovettumistaudin kehittymiseen ja endoteelisolujen vaurioitumiseen, joka puolestaan johtaa verisuonten uudelleenmuodostuksen toimintahäiriöön. Vasteena soluvauriolle, ATP vapautuu solujen ulkopuoliseen tilaan ja useiden fysiologisten mekanismien kautta solut voivat säädellä ATP:n perustilaa soluissa ja siten vaikuttaa solujen kasvuun ja niiden mikroympäristöön. Osoitamme, että keuhkovaltimoverenpainetautia sairastavilla potilailla on merkittävästi alentunut CD39 ilmentyminen ja solun ulkopuolinen ATP-pitoisuus on huomattavasti kohonnut. Tämä johtaa fenotyypin muutoksiin endoteeli- ja lihassolupatologiassa